Введение в различные лазеры

Краткий список типов лазеров

Лазеры можно разделить на шесть типов в зависимости от используемой среды: твердотельные лазеры, газовые лазеры, жидкостные лазеры, полупроводниковые лазеры, химические лазеры и лазеры на парах металлов.

Твердотельные лазеры

Твердотельные лазеры — это лазеры, использующие твердую среду. В качестве твердого материала в этих лазерах используется стекло или кристаллический материал. Принцип работы твердотельных лазеров: стекло или кристаллический материал, используемый в твердотельных лазерах, действует как ионная примесь вместе с основным материалом. Легирование — это термин, используемый для описания процесса добавления примесей к веществу. В качестве легирующих элементов в этих лазерах используются тулий (Tb), эрбий (Er) и иттербий (Yb), которые являются редкоземельными элементами. В качестве материалов-носителей используются стекло, легированное иттербием, иттрий-алюминиевый гранат, легированный эрбием, стекло, легированное эрбием, и сапфир. Наиболее часто используемым материалом-носителем является иттрий-алюминиевый гранат, легированный эрбием. Применение твердотельных лазеров: Использование этих лазеров упрощает сверление отверстий в металлах. Они широко применяются в военной сфере. Преимущества твердотельных лазеров: Эти лазеры имеют недорогую трубчатую структуру. Твердотельные лазеры имеют простую конструкцию. Выходное излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. Вероятность отходов материала в активной среде очень мала или отсутствует. Эти лазеры обладают высокой эффективностью. Недостатки твердотельных лазеров: Выходное излучение твердотельных лазеров невысоко. Расходимость этого типа лазеров непостоянна и варьируется от 0,05 до 1 градуса. В лазере наблюдаются потери мощности из-за нагрева стержня.

Газовые лазеры

Газовые лазеры имеют активную среду, состоящую из одного или нескольких газов или паров. Эти лазеры классифицируются как: атомарные газовые лазеры (гелий-неоновые лазеры), молекулярные газовые лазеры (лазеры на углекислом газе) и ионные газовые лазеры (аргон-ионные лазеры).

Жидкостные лазеры

Жидкостные лазеры также называются лазерами на красителях. В этом типе лазеров в качестве активной среды используется жидкость. Активное вещество, используемое в жидкостных лазерах, называется красителем; распространенные красители включают флуоресцеин, родамин B и родамин 6G. Принцип работы жидкостных лазеров: Активной средой этого типа лазеров является органический краситель, а растворителем, используемым для его растворения, является вода, спирт или этиленгликоль. Краситель закачивается из резервуара в капилляр. Краситель выходит из трубки через импульсную лампу. Выходной луч затем проходит через окно Брюстера к выходному ответвителю, который представляет собой 50%-ный отражатель. Выходную длину волны можно регулировать в широком диапазоне. Применение жидкостных лазеров: Эти лазеры широко используются в медицине и в качестве исследовательских инструментов. Преимущества жидкостных лазеров: Высокая эффективность. Возможность получения широкого диапазона длин волн. Малый диаметр луча. Угол расхождения луча составляет от 0,04 до 0,1 градуса, что относительно мало по сравнению с другими лазерами. Недостатки жидкостных лазеров: Высокая стоимость этих лазеров. Настройка лазера на определённую частоту требует использования фильтров, что делает их более дорогими, чем лазеры других типов. Сложно определить, какой элемент излучает свет.

Полупроводниковые лазеры: Полупроводниковые лазеры — это небольшие лазеры. Они работают аналогично светодиодам, но выходной луч имеет характеристики лазера. Полупроводниковые диоды изготавливаются с использованием полупроводниковой технологии. Как работают полупроводниковые лазеры: Активным материалом, используемым в полупроводниковых лазерах, является арсенид галлия; поэтому эти лазеры также называются лазерами на арсениде галлия. Принцип работы полупроводникового лазера аналогичен принципу работы p-n-диода при прямом смещении. P-n-материалы подключаются к источнику питания постоянного тока через металлические контакты. Полупроводниковые лазеры также называются инжекционными лазерами, потому что ток инжектируется в соединение между p- и n-материалами. Применения полупроводниковых лазеров: Эти лазеры естественным образом используются в качестве передатчиков в цифровой связи, поскольку они могут излучать свет с различной скоростью и длительностью импульса. Они также широко используются в волоконно-оптической связи. Преимущества полупроводниковых лазеров: Они имеют множество применений благодаря своим малым размерам. Эти лазеры очень экономичны. Не используются зеркала. Потребляемая мощность низкая. Недостатки полупроводниковых лазеров: Угол расхождения луча составляет 6–20 градусов, что больше, чем у других типов лазеров. Выходной луч имеет необычную форму, поскольку используемая среда короткая и прямоугольная. Рабочие характеристики этого типа лазеров зависят от температуры, такие как выходная мощность и центральная длина волны.

Химические лазеры: Химические лазеры генерируют лазерное излучение посредством химических реакций. Например, при химической реакции атомов фтора и водорода могут образовываться молекулы фтороводорода в возбуждённом состоянии. Таким образом, при быстром смешивании двух ионных газов может генерироваться лазерное излучение, поэтому дополнительная энергия не требуется; мощная световая энергия может быть получена непосредственно из химической реакции. Два основных типа устройств — это фтороводород (HF) и фторид дейтерия (DF). Первый имеет длину волны лазерного излучения от 2,6 до 3,3 микрометров, а второй — от 3,5 до 4,2 микрометров. Эти чисто химические лазеры в настоящее время способны достигать выходной мощности в несколько мегаватт, а их длина волны варьируется от ближнего до среднего инфракрасного диапазона. Эти лазеры легко распространяются в атмосфере или по оптоволокну. Поскольку химические лазеры генерируют лазерное излучение посредством химических реакций, они относительно компактны и хорошо подходят для полевых работ; в частности, они могут создавать мощные лазеры, которые могут использоваться в военных целях и в ядерном синтезе.

Лазеры на парах металлов, например, на парах меди, в основном генерируют зелёный (510,5 нм) и жёлтый (578,2 нм) свет, достигая средней мощности 100 Вт и пиковой мощности 100 кВт. Их основное применение — в качестве источника накачки для жидкостных лазеров. Кроме того, их можно использовать в высокоскоростной импульсной фотографии, проекционном телевидении с большим экраном и в обработке материалов.